Các nhà khoa học phát hiện một hạt photon du hành ngược thời gian

Một trong những phân cảnh kinh điển nhất trong bộ phim Tenet (2020) của đạo diễn Christopher Nolan, nhân vật chính (The Protagonist) cầm trên tay một khẩu súng không có đạn và nhắm vào một chiếc bia bằng bê tông.

Nhà khoa học Barbara sau đó đưa ra cho anh một gợi ý: "Anh không bắn viên đạn. Mà anh bắt lấy nó". Tại khoảnh khắc mà nhân vật chính bóp cò, viên đạn bỗng nhiên bay ngược từ tấm bia, trở lại nòng súng và nằm gọn trong băng đạn - trước đấy còn trống rỗng.

Phân cảnh chứa toàn bộ ý tưởng của Christopher Nolan trong Tenet, rằng chúng ta có thể quay ngược được mũi tên thời gian, đưa một số vật thể, hay thậm chí cả con người quay ngược về quá khứ.

Cơ chế được gọi là "Time inversion" hay "nghịch đảo thời gian" này có thể giải quyết được một loạt các nghịch lý của du hành thời gian (time travel) truyền thống, điển hình là nghịch lý ông nội (grandfather paradox), trong đó một người trở về quá khứ giết ông nội của mình và do đó khiến chính sự tồn tại của mình bị phủ định.

Thế nhưng, thời gian có thể được nghịch đảo thực sự hay không?

Trong một thí nghiệm mới được thực hiện tại Đại học Toronto, Canada, các nhà khoa học đã quan sát thấy một hiện tượng gần giống như trong Tenet, khi họ bắn một hạt ánh sáng bay xuyên qua một đám mây nguyên tử rubidi siêu lạnh, hạt ánh sáng đó dường như đã bay ra khỏi đám mây trước khi bay vào đó.

"Thí nghiệm của chúng tôi đã cho thấy các photon có thể khiến các nguyên tử dường như dành một khoảng thời gian âm trong trạng thái kích thích", giáo sư Aephraim Steinberg, nhà vật lý, thành viên sáng lập Trung tâm Thông tin Lượng tử và Kiểm soát Lượng tử tại Đại học Toronto cho biết.

Về lý thuyết, Steinberg và các đồng nghiệp của mình đã chứng minh thời gian có thể là một đại lượng âm.

Trong nghiên cứu được đăng tải trên nền tảng chờ bình duyệt arXiv.org, giáo sư Steinberg cho biết ông đã ấp ủ thí nghiệm này từ năm 2017. Thời điểm đó, Steinberg và Josiah Sinclair, một nghiên cứu sinh tiến sĩ làm việc cùng phòng thí nghiệm đang quan tâm đến sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất, cụ thể là một hiện tượng gọi là kích thích nguyên tử.

Hiện tượng này xảy ra khi các photon đi qua một môi trường và bị hấp thụ, các electron xoay quanh các nguyên tử trong môi trường đó nhảy lên các mức năng lượng cao hơn. Khi các electron kích thích này trở lại trạng thái ban đầu của chúng, chúng phát ra năng lượng đã hấp thụ dưới dạng các photon tái phát xạ, tạo ra sự độ trễ về thời gian quan sát được khi ánh sáng đi xuyên qua môi trường.

Nhóm của Sinclair muốn đo thời gian trễ đó và tìm hiểu xem liệu nó có phụ thuộc vào số phận của photon đó hay không: Nó có thể bị tán xạ và hấp thụ trong đám mây nguyên tử hay có thể truyền xuyên qua mà không gặp phải tương tác nào?

"Vào thời điểm đó, chúng tôi không chắc câu trả lời là gì, và chúng tôi cảm thấy rằng một câu hỏi cơ bản về một điều cơ bản như vậy lẽ ra đã phải có câu trả lời dễ dàng", Sinclair nói. "Nhưng càng nói chuyện với nhiều nhà khoa học khác, chúng tôi càng nhận ra họ không có sự đồng thuận chuyên môn nào, ai cũng chỉ có thể đưa ra phán đoán dựa trên trực giác của riêng mình".

Thế là Sinclair và giáo sư Steinberg đã dành 3 năm lên kế hoạch, phát triển một thiết bị để kiểm tra câu hỏi này trong phòng thí nghiệm. Các thí nghiệm của họ bao gồm việc bắn photon qua một đám mây nguyên tử rubidi siêu lạnh và đo mức độ kích thích nguyên tử xảy ra.

Hai điều bất ngờ đã xuất hiện từ thí nghiệm: Đôi khi các photon truyền qua mà không tạo ra bất kỳ tương tác gì, nhưng các nguyên tử rubidi vẫn bị kích thích-và trong một khoảng thời gian lâu như thể chúng đã hấp thụ các photon đó.

Kỳ lạ hơn nữa, khi các photon bị hấp thụ, chúng dường như được tái phát xạ gần như ngay lập tức, trước khi các nguyên tử rubidi trở lại trạng thái cơ bản của chúng-như thể các photon, trung bình, đang thoát khỏi đám mây nguyên tử nhanh hơn dự kiến.

Sau đó, nhóm đã hợp tác với Howard Wiseman, một nhà vật lý lý thuyết và lượng tử tại Đại học Griffith ở Úc, để đưa ra lời giải thích. Bộ ba đã đưa ra một khung lý thuyết cho thấy hiện tượng chỉ có thể được giải thích bằng một đại lượng thời gian có giá trị âm.

Để hiểu điều này, bạn phải nghĩ về photon như bản chất lượng tử của nó chứ không phải một hạt. Như nguyên lý bất định Heisenberg đã chỉ ra, bạn không thể đo lường đồng thời chính xác cả vị trí và động lượng của một hạt với độ chính xác tuyệt đối.

Điều đó có nghĩa là sự hấp thụ và tái phát xạ của bất kỳ photon nào qua một đám mây nguyên tử không đảm bảo sẽ xảy ra trong một khoảng thời gian cố định. Thay vào đó, nó diễn ra trong một phạm vi thời gian có xác suất.

Như vậy, khi bạn bắn photon vào một đám mây nguyên tử, đôi khi, xác suất photon đi ra khởi đám mây ấy, ở một thời điểm, lại cao hơn xác suất nó đi vào đám mây ở thời điểm đó. Điều này dẫn tới thời gian có giá trị âm.

"Chúng tôi hoàn toàn bất ngờ bởi dự đoán này", Sinclair nói. "Một độ trễ thời gian âm có thể có vẻ nghịch lý, nhưng điều đó có nghĩa là nếu bạn xây dựng một chiếc đồng hồ 'lượng tử' để đo lượng thời gian mà các nguyên tử dành trong trạng thái kích thích, kim đồng hồ trong một số trường hợp sẽ di chuyển ngược lại thay vì tiến lên".

Phát hiện của nhóm nghiên cứu tại Đại học Toronto được đưa ra 2 tháng sau khi một nhóm nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ và Đại học Colorado Boulder chế tạo được chiếc đồng hồ nguyên tử tiên tiến nhất từ trước đến nay.

Cơ chế hoạt động của nó dựa theo đúng nguyên lý mà Sinclair và giáo sư Steinberg đang kiểm tra: Họ sử dụng ánh sáng cực tím để kích thích các hạt nhân của một nguyên tử thorium-229 trong tinh thể rắn.

Sau đó, họ đo tần số của các xung năng lượng ảnh hưởng đến hạt nhân - tương đương với con lắc trong đồng hồ thông thường - và đếm các bước sóng trong tia UV bằng một công cụ gọi là lược tần số quang học.

Dựa trên nguyên lý này, chiếc đồng hồ nguyên tử có thể đạt tới độ chính xác vượt trội, chỉ sai 1 giây sau 30 tỉ năm- gấp đôi tuổi vũ trụ và gấp 6 lần tuổi của Trái Đất.

Nhưng với phát hiện mới bây giờ, độ chính xác của chiếc đồng hồ này sẽ trở thành một dấu hỏi. Liệu trong một khoảnh khắc nào đó, nó có thể quay ngược hay không? Và điều này có thể ảnh hưởng thế nào đến mũi tên thời gian mà chúng ta đang mặc định chỉ hướng theo một chiều?

Sẽ cần nhiều nghiên cứu hơn để trả lời những câu hỏi đó. Còn ở thời điểm hiện tại, chúng ta cũng giống như hạt photon ở trong một đám mây và bất định như nguyên lý của Heisenberg. Tất cả cho thấy thế giới lượng tử quả nhiên là một thế giới kỳ lạ, và ở đó, dường như không gì là không thể.